Al、N共摻雜ZnO納米棒的水熱法制備及性能研究.pdf_第1頁(yè)
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1、ZnO是直接寬帶隙半導(dǎo)體,成本較低,資源豐富,無(wú)污染。通過(guò)元素?fù)诫s改變ZnO的能帶結(jié)構(gòu),獲得P型ZnO和本征ZnO半導(dǎo)體,仍是ZnO在光電領(lǐng)域如光伏電池等的研究熱點(diǎn)之一。
  論文基于第一性原理采用CASTEP模塊的GGA近似方法,計(jì)算了純ZnO、Al摻雜、N摻雜和Al-N共摻雜ZnO的電子結(jié)構(gòu)。計(jì)算結(jié)果顯示,當(dāng)Al濃度或N濃度增加,ZnO:Al和ZnO:N的帶隙值均減小;隨著N/Al比增加,Al-N共摻雜ZnO(ANZO)的帶隙

2、值增大。純ZnO的價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底分別由O2p和Zn4s電子態(tài)占據(jù)。ZnO:Al的導(dǎo)帶底由Zn4s和Al3p電子態(tài)決定,當(dāng)Al濃度增加,Al3p電子態(tài)向禁帶低能區(qū)域移動(dòng)導(dǎo)致帶隙值減小。ZnO:N的價(jià)帶頂由N2p電子態(tài)決定,可實(shí)現(xiàn)p型ZnO,但N2p電子態(tài)的局域化特性使空穴被束縛在EF附近,是N在ZnO中溶解度低和穩(wěn)定性差的原因。而在ANZO中,N2p與Al3p電子態(tài)間的吸引勢(shì)較強(qiáng),克服了受主間的排斥勢(shì),削弱了N2p電子態(tài)的局域化,可提高N

3、的溶解度和摻雜的穩(wěn)定性。
  論文采用水熱法制備了摻雜ZnO的納米棒陣列,并對(duì)其形貌、結(jié)構(gòu)和光學(xué)、電學(xué)性能進(jìn)行了表征。ZnO納米棒的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,ZnO種子層有利于ZnO納米棒的成核以及引導(dǎo)納米棒沿c軸垂直生長(zhǎng)。當(dāng)水熱反應(yīng)溫度低于95℃生長(zhǎng)時(shí),不容易得到小尺寸的納米棒(直徑一般大于1μm),高于95℃得到的納米棒長(zhǎng)徑比更大,陣列的均勻性更好。當(dāng)水熱反應(yīng)時(shí)間低于8h時(shí),納米棒的長(zhǎng)度和直徑的比例一般低于5,而高于8h生長(zhǎng)時(shí)則大于5。在

4、此基礎(chǔ)上,我們研究了三種不同的水熱工藝制備Al-N共摻雜的ZnO納米棒陣列,第一種為采用ZnO種子層上的單步水熱工藝;第二種為采用 ZnO種子層的兩步水熱工藝;第三種為采用 AZO種子層的兩步水熱工藝。三種工藝得到的ANZO納米棒陣列均為(002)擇優(yōu)取向,且在可見(jiàn)光范圍的吸收明顯比未摻雜的氧化鋅增強(qiáng),N/Al比越大,樣品對(duì)光的吸收越強(qiáng),N/Al比為4.6時(shí)光學(xué)帶隙為2.88eV。最后,我們采用介電電泳技術(shù)將納米棒裝配在金屬微電極之間對(duì)

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